Energieversorgung in Metropolen durch Nutzung von Windströmungen

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Die zukünftige Versorgung mit CO2-neutral produzierter Energie für Metropolen gewinnt immer mehr an Bedeutung. Bedingt durch innerstädtischen Durchgangs- und Individualverkehr sowie durch Heizungsanlagen etc. und die damit einhergehenden Feinstaub- und CO2-Belastungen besonders in Großstädten, macht es dringend notwendig, vorhandene, erneuerbare Energieresourcen zu nutzen, die geeignet sind, die Luftverschmutzung und die Verwendung fossiler Brennstoffe auch in Zukunft erheblich zu reduzieren.

Die Aufgabe ist, Gebäude und Bauwerke soweit wie möglich unabhängig von der Energieversorgung zu gestalten und sie auch bei der Energieerzeugung aktiv mit einzubeziehen. Eine bisher noch nicht explorierte Energiequelle geht zurück auf die zwischen Bauwerke und Bauwerksoberflächen in Städten herrschenden Wind- und Strömungspotentiale, die in Zukunft zur Energieerzeugung genutzt werden könnten.

Die Grundthematik

Luftverwirbelungen entstehen, sobald ein Luftstrom (Wind) auf einen Körper (zum Beispiel Gebäude, Bauwerk) auftrifft. Diese Verwirbelungen führen zu klimatechnischen Veränderungen in Metropolen mit enger und hoher Bebauung. Bei Bauwerken mit nahezu gleichseitiger Kantenlänge, bilden sich vor allem bei der Umströmung sogenannte “hufeisenförmige Leeverwirbelungen”, die sich in Bodennähe (Erdboden) in zwei entgegengesetzten Luftwirbel (Strömungen) widerspiegeln.

In flachen Straßenschluchten beeinflussen sich die Strömungsfelder der Gebäude nicht gegenseitig. Sind die Gebäude jedoch dichter aneinander gebaut, können die Strömungsfelder wechselwirken, man spricht dann auch von einer Wirbelüberlagerungsströmung.

Bei normalen oder tiefen Straßenschluchten sind die Gebäude so dicht gebaut, dass der Hauptteil der Strömung nicht in die Schlucht eindringt, was sich wiederum sehr negativ auf die Belüftung innerhalb der Schluchten auswirkt. Dabei entsteht in der Straßenschlucht ein typischer Wirbel, der durch die Windscherung in Dachhöhe angetrieben wird. Diese Strömung kann aufgrund von Wendepunkten im Geschwindigkeitsprofil instabil werden.

Versuche zeigten unter anderem, dass ein dominierender Effekt entsteht und hohe, ausreichend isolierte Gebäude starke Auswirkung auf die turbolenten Strömungen haben. Sie können Auf- und Abwinde produzieren, sowie durch Kanalisierungseffekte an den Seiten der Gebäude für höhere Windgeschwindigkeiten sorgen (Kantenbeschleunigung). Weiterhin wurde festgestellt, dass die Lage der Straße zur Hauptwindrichtung eine enorme Auswirkung auf die Belüftung hat.

Messungen ergaben, dass in Städten wie zum Beispiel New York oder Singapur Windgeschwindigkeiten an Bauwerksoberflächen und an Bauwerkseckbereichen (Kanten) von mehr als 200 Kilometer pro Stunde auftreten können. Diese enormen Windenergiepotentiale stehen zur Verfügung, werden aber derzeit noch nicht energieerzeugungs- und oder klimatechnisch genutzt.

Energie-Wind-Profile und Fassadenelemente

Ein Lösungsansatz könnten die sogenannte RM M O H L Energie-Wind-Profile & Fassadenelemente sein. Die von Rolf Dieter Mohl – R M T Engineering unter anderem 2009 zum Patent angemeldeten Energie-Wind-Profile (E W P) und Strömungsleitmittel wären in der Lage, die um Bauwerke strömenden Windkräfte in einem Strömungsleitsystem so aufzunehmen und zu steuern, dass der Wind kontrolliert auf ein oder mehrere,  zum Beispiel auf dem Gebäudedach installierten Rotoren-und Turbineneinheiten umgeleitet würden, wo dann elektrische Energie erzeugt werden könnte.

Ein Nebeneffekt der RM MOHL Energie-Wind-Profile bestünde darin, dass extreme Windlasten, die auf eine Gebäude- und oder Bauwerksoberfläche üblicherweise einwirken, durch die Ableitung im E W P-Profilsystem abgebaut werden würden. Ebenfalls könnten die bereits zur Stromerzeugung genutzten Luftmassen nach verlassen der Turbine wieder nach unten zurückgeführt werden und zur Gebäude- und Klimatisierung bodennaher Luftschichten dienen. Im Gebäude-Brandfall, könnten die E W P auch als Rauchabzug funktionstechnisch eingesetzt werden, um eine bessere Abführung der Rauchgase aus dem Gebäude selbst zu gewährleisten.

Die E W P könnten ebenfalls mit Sprinklersystemen ausgerüstet sein, um im Brandfall das Gebäude von außen zu kühlen um bei der Brandbekämpfung aktiv mitzuwirken. Durch eine entsprechende Steuer- und Regelungstechnik der Windeinlassöffnungen (Strömungselemente) könnte der Luftstrom so reguliert werden, dass immer die optimale Strömungsmenge- und Strömungsgeschwindigkeit der Luftmassen gewährleistet wären. Unter thermischen Gesichtspunkten könnten auch warme Luftströme, die das E W P durchströmen, zusätzlich zur Klimatisierung eines Gebäudes herangezogen werden.

Sinn würde es machen, bereits in der Planungsphase eines Bauwerkes die E W P architektonisch, gestalterisch und strömungstechnisch mit zu berücksichtigt und einzuplanen. Wichtig wären ferner auch Design-Ausführungen, die an bereits errichteten Bauwerken gestalterisch sowie statisch integrierbar wären.

Um jedoch diese zukünftige Herausforderungen zu meistern, sowie weitere praxisgerechte Lösungen zu erarbeiten, bedarf es einer engen Zusammenarbeit mit Städteplanern, Architekten, Statikern, Behörden, Investoren und Forschungsinstituten.

Rolf Dieter Mohl

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